一种腐蚀隧道衬砌的加固结构及设计方法技术

本发明专利技术公开一种腐蚀隧道衬砌的加固结构及设计方法，加固结构设置于衬砌的待加固位置，加固结构包括加固件以及与加固件连接的混凝土层和连接件，连接件用于加固件固定在混凝土层上或固定在隧道衬砌上，本发明专利技术中的加固结构能够适用于衬砌混凝土已丧失结构强度以及无法在丧失强度的衬砌表面粘贴纤维材料或锚固钢板的工况，以适应大面积腐蚀时对隧道进行加固。本发明专利技术的设计方法中，加固件选取下一规格时，按规格递增还是规格递减顺序的判定，能够大大减少选取合适规格的加固件的计算量，并根据是否满足需求决定向上选取更大规格的加固件还是向下选取更具有经济性的更小规格的加固件。加固件。加固件。

【技术实现步骤摘要】
一种腐蚀隧道衬砌的加固结构及设计方法


[0001]本专利技术涉及隧道结构领域，具体涉及一种腐蚀隧道衬砌的加固结构及设计方法。

技术介绍

[0002]受早期施工质量以及长期的环境侵蚀和列车动力荷载作用，老旧隧道普遍存在渗漏水、衬砌开裂、混凝土腐蚀等病害问题，严重影响到线路的正常运行，特别是在我国西部地区受硫酸盐侵蚀性环境的影响，隧道衬砌混凝土腐蚀问题普遍存在。因此，如何对这些腐蚀劣化的运营隧道进行加固修复，已成为目前我国隧道工程领域面临的重大难题和迫切需求。
[0003]现有技术中存在的问题是：针对大面积腐蚀劣化的素混凝土衬砌结构，由于衬砌混凝土在一定厚度范围内已经丧失了结构强度，实际修复时无法在丧失强度的衬砌表面粘贴纤维材料或锚固钢板等，往往需要将严重腐蚀部位凿除后才可以进行下一步的加固施工，同时，加固修复后的衬砌结构力学转换机制及设计尚无量化的计算方法，实际施工中多以经验判断的方法确定修复设计方案，设计的可靠性和经济性缺乏严谨的理论依据。
[0004]综上所述，急需一种腐蚀隧道衬砌的加固结构及设计方法以解决现有技术中隧道加固以及缺少量化指导的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种腐蚀隧道衬砌的加固结构及设计方法，以解决现有技术中隧道加固以及缺少量化指导的问题，具体技术方案如下：
[0006]一种腐蚀隧道衬砌的加固结构，加固结构设置于隧道中衬砌的待加固位置；所述加固结构包括加固件以及与加固件连接的混凝土层和连接件，连接件用于加固件固定在混凝土层上或固定在衬砌上。
[0007]以上技术方案优选的，所述加固件为弧形的槽钢，所述连接件为膨胀螺栓，槽钢设置于混凝土层内，且槽钢的腹板紧贴于衬砌的待加固位置，膨胀螺栓连接衬砌以及槽钢的腹板，
[0008]或者是所述加固件为弧形的波纹板，所述连接件为铆钉，混凝土层紧贴于衬砌的待加固位置，波纹板设置于混凝土层远离衬砌的一侧，且波纹板通过铆钉固定在混凝土层上。
[0009]以上技术方案优选的，所述混凝土层为微膨胀混凝土层。
[0010]一种腐蚀隧道衬砌的加固结构的设计方法，用于实现所述的加固结构，设计方法包括如下步骤：
[0011]步骤S1、调查取样，对腐蚀后的衬砌混凝土样本进行力学测试，获取相关参数；
[0012]步骤S2、基于相关参数，建立荷载结构模式计算模型并计算得到衬砌各截面的内力值；
[0013]步骤S3、基于各截面的内力值，确定原衬砌的最不利截面，并将该截面的受力状态
作为衬砌结构的设计极限承载能力N0；
[0014]步骤S4、选取合适规格的加固件进行加固，选取规则如下：
[0015]步骤S4.1、任意选取某一初始规格作为当前规格；
[0016]步骤S4.2、分别计算该当前规格的加固件加固后衬砌结构的抗裂承载能力N
cr
和极限承载能力N
cu
；
[0017]步骤S4.3、按规格递增或递减顺序选取下一规格的加固件，并计算下一规格对应的N
cr
和N
cu
；
[0018]步骤S4.4、若当前规格和下一规格对应的N
cr
和N
cu
满足要求时，选出合适规格的加固件，反之则以该下一规格作为当前规格返回步骤S4.2；
[0019]是否满足要求的判定规则如下：
[0020]按规格递增顺序选取加固件时，若满足当前规格对应的min{N
cr
，N
cu
}＜N0，且下一规格对应的min{N
cr
，N
cu
}≥N0时，则以该下一规格的加固件作为最终确定的加固件；
[0021]按规格递减顺序选取加固件时，若满足当前规格对应的min{N
cr
，N
cu
}≥N0，且下一规格对应的min{N
cr
，N
cu
}＜N0时，则以当前规格的加固件作为最终确定的加固件。
[0022]以上技术方案优选的，所述步骤S1中，相关参数包括隧道断面几何尺寸、衬砌混凝土的腐蚀深度、衬砌原设计厚度、衬砌混凝土原设计混凝土强度等级、隧道围岩级别以及围岩物理力学参数。
[0023]以上技术方案优选的，所述步骤S1中，通过钻孔取芯机在腐蚀区域内钻取衬砌混凝土芯样，取样规则如下：
[0024]当腐蚀面积≤1m2，在腐蚀中心钻取1个芯样；
[0025]当1m2<腐蚀面积≤4m2，在腐蚀中心区域钻取3个芯样，钻孔间距1m；
[0026]当腐蚀面积>4m2，在腐蚀中心区域钻取5个芯样，钻孔间距1m。
[0027]以上技术方案优选的，在进行步骤S4之前，先判断是选取槽钢作为加固件还是选取波纹板作为加固件，选取规则如下：
[0028]当衬砌混凝土的腐蚀深度大于或等于10cm时，选取槽钢作为加固件；
[0029]当衬砌混凝土的腐蚀深度小于10cm时，选取波纹板作为加固件。
[0030]以上技术方案优选的，当选取槽钢作为加固件时，步骤S4.2中N
cr
和N
cu
如式1)和式2)所示：
[0031]抗裂承载能力N
cr
；
[0032][0033]极限承载能力N
cu
；
[0034][0035]其中，E
c
为未腐蚀混凝土弹性模量；ε
tu
为受拉侧混凝土边缘的极限拉应变；h为隧道衬砌的截面厚度；x
n
为开裂时截面受压区高度；b为隧道衬砌的纵向宽度；f
t
为新浇筑的混凝土层的抗拉强度设计值；E
s
为钢材的弹性模量；b
c
为槽钢的翼板长度；A
sc1
为槽钢翼板的横截面面积；A
sc2
为槽钢腹板的横截面面积；e为截面偏心距；
[0036]f
c
为未腐蚀混凝土的抗压强度设计值；ε
cu
为受压侧混凝土边缘的压应变。
[0037]以上技术方案优选的，当选取波纹板作为加固件时，步骤S4.2中N
cr
和N
cu
如式3)和式4)所示：
[0038]抗裂承载能力N
cr
；
[0039][0040]极限承载能力N
cu
；
[0041][0042]其中，E
c
为未腐蚀混凝土弹性模量；ε
tu
为受拉侧混凝土边缘的极限拉应变；h为隧道衬砌的截面厚度；x
n
为开裂时截面受压区高度；b为隧道衬砌的纵向宽度；f
t
为新浇筑的混凝土层的抗拉强度设计值；E
s
为钢材的弹性模量；A
sg
为波纹板的横截面面积；e为截面偏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种腐蚀隧道衬砌的加固结构，其特征在于，加固结构(1)设置于隧道中衬砌(2)的待加固位置；所述加固结构(1)包括加固件(1.1)以及与加固件(1.1)连接的混凝土层(1.2)和连接件(1.3)，连接件(1.3)用于加固件(1.1)固定在混凝土层(1.2)上或固定在衬砌(2)上。2.根据权利要求1所述的腐蚀隧道衬砌的加固结构，其特征在于，所述加固件(1.1)为弧形的槽钢(1.1a)，所述连接件(1.3)为膨胀螺栓(1.3a)，槽钢(1.1a)设置于混凝土层(1.2)内，且槽钢(1.1a)的腹板紧贴于衬砌的待加固位置，膨胀螺栓(1.3a)连接衬砌以及槽钢(1.1a)的腹板，或者是所述加固件(1.1)为弧形的波纹板(1.1b)，所述连接件(1.3)为铆钉(1.3b)，混凝土层(1.2)紧贴于衬砌的待加固位置，波纹板(1.1b)设置于混凝土层(1.2)远离衬砌的一侧，且波纹板(1.1b)通过铆钉(1.3b)固定在混凝土层(1.2)上。3.根据权利要求1或2所述的腐蚀隧道衬砌的加固结构，其特征在于，所述混凝土层(1.2)为微膨胀混凝土层。4.一种腐蚀隧道衬砌的加固结构的设计方法，用于实现权利要求2所述的加固结构(1)，其特征在于，设计方法包括如下步骤：步骤S1、调查取样，对腐蚀后的衬砌混凝土样本进行力学测试，获取相关参数；步骤S2、基于相关参数，建立荷载结构模式计算模型并计算得到衬砌各截面的内力值；步骤S3、基于各截面的内力值，确定原衬砌的最不利截面，并将该截面的受力状态作为衬砌结构的设计极限承载能力N0；步骤S4、选取合适规格的加固件进行加固，选取规则如下：步骤S4.1、任意选取某一初始规格作为当前规格；步骤S4.2、分别计算该当前规格的加固件加固后衬砌结构的抗裂承载能力N
cr
和极限承载能力N
cu
；步骤S4.3、按规格递增或递减顺序选取下一规格的加固件，并计算下一规格对应的N
cr
和N
cu
；步骤S4.4、若当前规格和下一规格对应的N
cr
和N
cu
满足要求时，选出合适规格的加固件，反之则以该下一规格作为当前规格返回步骤S4.2；是否满足要求的判定规则如下：按规格递增顺序选取加固件时，若满足当前规格对应的min{N
cr
，N
cu
}＜N0，且下一规格对应的min{N
cr
，N
cu
}≥N0时，则以该下一规格的加固件作为最终确定的加固件；按规格递减顺序选取加固件时，若满足当前规格对应的min{N
cr
，N
cu
}≥N0，且下一规格对应的min{N
cr
，N
cu
}＜N0时，则以当前规格的加固件作为最终确定的加固件。5.根据权利要求4所述的加固结构的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，相关参数包括隧道断面几何尺寸、衬砌混凝土的腐蚀深度、衬砌原设计厚度、衬砌混凝土原设计混凝土强度等级、隧道围岩级别以及围岩物理力学参数。6.根据权利要求4所述的加固结构的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过钻孔取芯机在腐蚀区域内钻取衬砌混凝土芯样，取样规则如下：当腐蚀面积≤1m2，在腐蚀中心钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷明锋，段炼，李永恒，伍江航，扎西草，王立川，武朝光，
申请(专利权)人：中国铁路广州局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：